SolidWorks三維軟件在凸輪調(diào)試中的運(yùn)用

林振龍

摘要：三維軟件SolidWorks給凸輪運(yùn)動(dòng)模擬設(shè)計(jì)帶來極大的便利，調(diào)試前可充分利用軟件裝配功能進(jìn)行計(jì)算機(jī)環(huán)境下的模擬調(diào)試。但在投入到實(shí)踐應(yīng)用后，需注意彈簧回彈時(shí)間的延遲、滾輪與凸輪碰撞的振動(dòng)等問題，進(jìn)一步考慮凸輪曲線的修正。文章對(duì)SolidWorks三維軟件在凸輪調(diào)試中的運(yùn)用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：SolidWorks；三維軟件；凸輪調(diào)試；運(yùn)動(dòng)模擬設(shè)計(jì)；凸輪曲線 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP311 文章編號(hào)：1009-2374（2015）15-0046-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.023

近年來，三維軟件SolidWorks推廣迅速，其極大的設(shè)計(jì)便捷性也受到廣大機(jī)械設(shè)計(jì)師的鐘愛。在復(fù)雜自動(dòng)化機(jī)械運(yùn)動(dòng)計(jì)算中，通過三維軟件模擬機(jī)械運(yùn)動(dòng)成為非常好的方式。在設(shè)計(jì)自動(dòng)化包裝機(jī)械的進(jìn)料擺臂凸輪時(shí)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬的凸輪運(yùn)動(dòng)只是理論情況，在投入實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)一些不可避免的，例如彈簧回彈時(shí)間的延遲、滾輪與凸輪碰撞的振動(dòng)等問題。在不斷修正凸輪輪廓曲線、重新模擬運(yùn)動(dòng)后，這種現(xiàn)象得以減輕，最終滿足了高速運(yùn)轉(zhuǎn)的需要。

1 SolidWorks在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用情況

目前在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)用到最多的三維制圖軟件當(dāng)屬SolidWorks，該軟件是第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，可以進(jìn)行幾乎所有機(jī)械的零件、標(biāo)準(zhǔn)件的三維設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以進(jìn)行二維零件制造圖的繪制。在二維零件圖中可以輕松獲取三維零件的左視圖、俯視圖，甚至立體軸測(cè)圖，并可以自動(dòng)進(jìn)行尺寸標(biāo)注。

為了增加便利性，該軟件可利用預(yù)設(shè)的插件來生成機(jī)械零件，簡(jiǎn)單輸入相應(yīng)參數(shù)即可生成齒輪、蝸桿、凸輪等特殊形狀的機(jī)械零件，以上幾種零件如果直接繪制會(huì)比較麻煩。有了插件后，例如想繪制齒輪，可以輸入模數(shù)、齒數(shù)等便可以準(zhǔn)確生成；想繪制凸輪，輸入推程和角度即可準(zhǔn)確生成。

另外，有些功能還開放給設(shè)計(jì)者編程，懂計(jì)算機(jī)編程的設(shè)計(jì)師可以編輯各種需要的命令按鈕，自動(dòng)執(zhí)行各種連續(xù)操作，例如可以將“打印-打印設(shè)置-關(guān)閉”三個(gè)命令合成一個(gè)按鈕。更強(qiáng)大的是，可以將分散的零件利用相切、平行、垂直等機(jī)械裝配配合規(guī)則進(jìn)行裝配，還可以進(jìn)行齒輪鏈輪的配合。除了手動(dòng)模擬機(jī)械零件運(yùn)動(dòng)外，還可以直接設(shè)定模擬電機(jī)動(dòng)力的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

在凸輪運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師只能繪制二維的凸輪圖紙，如果涉及的動(dòng)作較復(fù)雜，則只能靠設(shè)計(jì)師繁瑣的計(jì)算來推算行程，然后利用輔助線繪制凸輪的行程位置，靠描繪極端的幾個(gè)行程位置來畫出預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)的動(dòng)作軌跡。這樣的方法難以全面考慮運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算的準(zhǔn)確性有一定問題，畫出來的圖也是非常不清楚，如果不是設(shè)計(jì)者本人，可能無法直觀、快速地模擬出相應(yīng)的動(dòng)作。

在SolidWorks中，生成的凸輪可以經(jīng)過描繪輪廓線，然后導(dǎo)入到裝配圖中，將滾子的外圓與輪廓線相切配合。隨后轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪，滾子與推桿便可以依據(jù)凸輪的外部輪廓進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

2 SolidWorks在自動(dòng)化包裝機(jī)械中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

自動(dòng)化包裝機(jī)械形式由于包裝體多樣（泡罩、袋裝、三邊封等）、需包裝的物體多樣（形狀不一的固體、液體、膏狀半流體等）以及包裝材質(zhì)多樣（PVC、鋁薄、紙質(zhì)、玻璃瓶等）的特點(diǎn)，每套不同適用范圍的自動(dòng)化包裝機(jī)械都由不同組合形式的幾百個(gè)機(jī)械零件組成。如果將裝配圖繪制成傳統(tǒng)的二維圖非常不直觀，不利于設(shè)計(jì)，不利于調(diào)試。而三維軟件繪制的裝配圖能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，隨意解剖，能很好地看清機(jī)械構(gòu)造并模擬運(yùn)動(dòng)，很好地解決了二維圖在裝配圖時(shí)遇到的問題。

在自動(dòng)化的食品、藥品包裝機(jī)械中，涉及的機(jī)械部件很多，動(dòng)作也都帶連鎖性，一環(huán)扣一環(huán)，需互相配合，設(shè)計(jì)的對(duì)象也都有不同，很難按繪制一套或幾套標(biāo)準(zhǔn)去套用，因此三維繪制零件并模擬動(dòng)作在這方面使用變得非常便利。就算是比較業(yè)余的產(chǎn)品使用者，也可以清楚看懂機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和調(diào)試動(dòng)作的要求，在后續(xù)的用戶體驗(yàn)上有了非常大的提升。

3 SolidWorks模擬調(diào)試實(shí)際應(yīng)用研究

在某自動(dòng)化給袋子式包裝機(jī)械的上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中就涉及了凸輪運(yùn)動(dòng)的三維設(shè)計(jì)及模擬。該套設(shè)備適用于袋裝食品的自動(dòng)化包裝，適用于顆粒物體和醬料，由機(jī)械手臂抓取預(yù)制好的包裝袋，然后上袋到有大型轉(zhuǎn)盤的開袋進(jìn)料封袋出袋的自動(dòng)化包裝工序中。整臺(tái)機(jī)器出于成本需要，也為了動(dòng)作連續(xù)，只安裝一臺(tái)電機(jī)，控制縱橫兩軸上近20個(gè)凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過凸輪的運(yùn)動(dòng)控制各個(gè)工序上的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，各個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作均需緊密配合，不能脫節(jié)。

該設(shè)備最關(guān)鍵的是其中有一套進(jìn)料擺臂機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由三個(gè)凸輪分別控制上料大臂、上料小臂和吸料裝置的運(yùn)動(dòng)。上料大臂、上料小臂負(fù)責(zé)每次夾取一只袋子上到負(fù)責(zé)開袋、加料等后續(xù)工序的夾子上去；吸料裝置負(fù)責(zé)每次用氣嘴吸一只包裝袋，配合上料臂的動(dòng)作來提供包裝袋。

為保持動(dòng)作的連續(xù)性，控制上料大臂和上料小臂的兩個(gè)獨(dú)立的凸輪均安裝在一根傳動(dòng)軸上。但如此一來有個(gè)弊?。弘姍C(jī)帶動(dòng)軸上的凸輪，在上料大、小臂完成上袋后，上料大臂開始回撤，帶動(dòng)上料小臂也往后拉，并且在水平方向上還是往下降的，這樣會(huì)勾斷已經(jīng)安裝好的袋子。因此在凸輪設(shè)計(jì)中要特別注意增加這時(shí)段的凸輪升程來抬高上料小臂，也就是說在上完袋子后，上料小臂要特意抬頭避開袋子再開始后撤。此點(diǎn)也是在三維模擬運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，如果是傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計(jì)，或許到調(diào)試時(shí)才能發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。

增加這時(shí)段的凸輪升程如果在傳統(tǒng)計(jì)算中需充分考慮小鏈輪的角速度、推算線速度，從而推算小臂的擺動(dòng)幅度，這使得計(jì)算量比較龐大，此時(shí)用三維軟件模擬三個(gè)凸輪推動(dòng)幾個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行模擬調(diào)試會(huì)直觀得多，并且非常可靠。因此設(shè)計(jì)者應(yīng)在模擬調(diào)試成功后導(dǎo)出凸輪的圖紙進(jìn)行下料制造。

投入到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若在極慢的速度下上料大、小臂完全符合軟件模擬情況，但在速度提高到40袋每分鐘時(shí)，上料臂的運(yùn)動(dòng)完全被打亂，是在混亂的震動(dòng)中完成整套動(dòng)作的。這原本在SolidWorks模擬中是非常平滑順利的機(jī)械動(dòng)作，但凸輪制造完全符合圖紙，其余零件也沒有任何制造或配合錯(cuò)誤問題，潤(rùn)滑油也已經(jīng)加到位。沒有制造安裝的問題，完全響應(yīng)設(shè)計(jì)要求。

在多次試驗(yàn)和調(diào)整后，發(fā)現(xiàn)可能是因?yàn)樗俣燃涌旌?，彈簧帶?dòng)滾子的速度跟不上凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，導(dǎo)致滾子不能連續(xù)與凸輪接觸的原因。此點(diǎn)就算在三維軟件模擬調(diào)試中也很難被發(fā)現(xiàn)。因?yàn)樵谲浖O(shè)置滾子和凸輪相切后，計(jì)算機(jī)會(huì)按程序設(shè)計(jì)的完全接觸來執(zhí)行，無論速度多快都會(huì)接觸良好，目前還不能模擬出震動(dòng)或彈簧回彈的速度。更好地反映實(shí)際情況，反映機(jī)械震動(dòng)，摩擦和彈簧等拉力因素應(yīng)該是三維軟件今后的發(fā)展

方向。

因此，為產(chǎn)品達(dá)到更快的運(yùn)行速度，達(dá)到更好的生產(chǎn)效率，需要進(jìn)行凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)修正。在經(jīng)過數(shù)十次不斷修正凸輪的停留時(shí)間，不斷修正凸輪的行程段與停留段的銜接，增加行程段的時(shí)間角度，修正突變的曲線直至比較飽滿的弧線后，提高至60袋每分鐘才沒有發(fā)生擺臂在高速下震動(dòng)的情況。

4 結(jié)語

在三維軟件設(shè)計(jì)凸輪零件，特別是涉及到速度較快的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以在設(shè)計(jì)完成后導(dǎo)入三維軟件進(jìn)行模擬調(diào)試。在模擬成功運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的前提下，盡量修正凸輪弧度直至平滑，充分考慮彈簧回彈的延遲。這樣在下料時(shí)會(huì)減少試制的次數(shù)，減少錯(cuò)誤凸輪生產(chǎn)的數(shù)量，減少調(diào)試成本的同時(shí)提高調(diào)試的成功率。

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）endprint